Ermittlung von PID-Parametern einer Frischwasserstation

Inhaltsverzeichnis

Verzeichnis der Formelzeichen und Abkürzungen

Verzeichnis der Abbildungen und Tabellen

1 Einleitung
1.1 Problemstellung und Ziel der Arbeit
1.2 Unternehmensvorstellung
1.3 Begriffsdefinitionen

2 Frischwasserstation
2.1 Funktionsweise
2.2 Testaufbau und Vorbereitung
2.3 Theorie zur Testdurchführung

3 Praktische Durchführung
3.1 Erklärung P-Regler
3.1.1 Ermittlung des Proportionalitätsbeiwerts KPR
3.2 D-Regler
3.2.1 Erklärung PD-Regler
3.2.3 Ermittlung der Vorhaltzeit TV
3.3 PID-Regler
3.3.1 Erklärung I-Regler
3.3.2 PI-Regler
3.3.3 PID-Regler
3.3.4 Ermittlung der Nachstellzeit TN
3.3.5 Simulation
3.4 Zusammenfassung

4 Kritische Betrachtung des Versuchs

5 Ausblick
5.1 Ziegler und Nichols
5.2 Chien, Hrones und Reswick
5.3 MATLAB

Quellenverzeichnis

Eigenständigkeitserklärung

Verzeichnis der Formelzeichen und Abkürzungen

Formelzeichen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Verzeichnis der Abbildungen und Tabellen

Abbildung

Abb. 1:Regelkreis Frischwasserstation

Abb. 2:Frischwasserstation

Abb. 3:Skizze eines Plattenwärmetauschers

Abb. 4:Frischwasserstation

Abb. 5:Regler DeltaSol Fresh®

Abb. 6:7-fach-Volumenstromverteiler

Abb. 7:P-Regler, simuliert mit MATLAB/Simulink

Abb. 8:P-Regler, simuliert mit MATLAB/Simulink

Abb. 9:Verlaufsdiagramm bei einem P-Anteil von

Abb. 10:Verlaufsdiagramm bei einem P-Anteil von

Abb.11:PD-Regler, Simulation mit MATLAB/ Simulink

Abb. 12:D-Anteil 1 s

Abb. 13:Verlaufsdiagramm D-Anteil 5 s

Abb. 14:Verlaufsdiagramm Tv 2,5 s

Abb. 15:I-Regler mit TI 2 s und 4 s simuliert mit MATLAB

Abb. 16:PI-Regler simuliert mit MATLAB

Abb. 17:PID-Regler

Abb. 18:Nachstellzeit 50 s

Abb. 19:Nachstellzeit 1 s

Abb. 20:I-Anteil 7 s

Abb. 21:Zapfprofil

Abb. 22:Zapfprofil

Tabelle

Tabelle 1:Einstellregeln nach Ziegler und Nichols

Tabelle 2:Einstellregeln nach Chien, Hrones und Reswick

1 Einleitung

In der heutigen Zeit, in der die fossilen Brennstoffe immer knapper werden und das Umweltbewusstsein größer wird, gewinnen die erneuerbaren Energien immer mehr an Bedeutung. Dabei gibt es verschiedene Arten von erneuerbaren Energien. Eine davon ist die Solarthermie, bei der die Sonnenenergie für die Wassererwärmung genutzt wird. Die Unternehmen der Solarthermiebranche stehen in einem harten Wettbewerb, um Kunden von ihrem Produkt zu überzeugen. Je komfortabler und effizienter ein Produkt ist, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass Kunden sich für das Produkt entscheiden.

1.1 Problemstellung und Ziel der Arbeit

Um den Kunden ein solches Produkt anbieten zu können, wurde ein neuer Frischwasserregler entwickelt, der DeltaSol Fresh®.

Frischwasserregler lösen immer mehr die Standard-Solarregler ab, da bei Frischwasserreglern die Gefahr einer Legionellenbildung reduziert ist.

Standard-Solarregler erwärmen das Speicherwasser, das später direkt vom Kunden benutzt wird. Bei diesem System besteht die Gefahr der Legionellen Vermehrung, da das Speicherwasser für die Legionellen zeitweise optimale Temperaturbedingungen von 25 °C bis 50 °C aufweist. Nur durch regelmäßiges Erhitzen des Speichers über 60 °C werden die Legionellen sicher abgetötet (vgl. LANUV NRW).

Beim Frischwasserregler hingegen kommt das Wasser, das der Kunde benutzt, direkt von den Wasserwerken. Die Wassertemperatur beträgt dabei etwa 16 °C, was für eine Legionellen Vermehrung zu gering ist. Das heiße Wasser, das das Haushaltswasser erwärmt, kommt nicht mit diesem in Berührung.

Des Weiteren haben Frischwasserregler einen geringeren Stromverbrauch als zum Beispiel eine Gastherme und sind effizienter bei der Erwärmung des Haushaltswassers, da diese das Haushaltwasser mit einer geringeren Speichertemperatur erwärmen können als eine Gastherme. Dadurch kann ein Frischwasserregler gut mit erneuerbaren Energien, wie z. B. der Solarthermie kombiniert werden.

Ziel ist es nun, für den Frischwasserregler DeltaSol Fresh® die bestmöglichen

P-, I- und D-Anteile zu ermitteln, die für eine gute Regelgüte sorgen. Die Regelung soll an die Bedürfnisse der Kunden angepasst sein, nämlich die Regelgröße schnell auf die Führungsgröße steigen lassen und diese ohne große Schwankungen halten.

1.2 Unternehmensvorstellung

Die RESOL - Elektronische Regelungen GmbH, im folgenden RESOL genannt, wurde 1977 von Rudolf Pfeil gegründet, der auch heute noch das Unternehmen leitet. Von der Einmann-Manufaktur mit einfachen Solarreglern hat sich das Unternehmen hin zu einem mittelständischen Unternehmen mit drei Werken und 130 Mitarbeitern entwickelt. Heute hat das Unternehmen eine breite Produktpalette an Reglern und Zubehör für die Solarthermie und Heizungstechnik. Mehr als drei Millionen RESOL-Produkte sind derzeit in über 60 Ländern im Einsatz.

1.3 Begriffsdefinitionen

Im Weiteren werden Begrifflichkeiten erklärt, die in der folgenden Ausarbeitung immer wieder vorkommen. Die Begriffe der Regelungstechnik sind dabei an die Anwendung der Frischwasserstation angepasst.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1: Regelkreis Frischwasserstation

Regelkreis

Ein Regelkreis, siehe Abb. 1, stellt den geschlossenen Kreis für den Wirkungsablauf dar. Die Regelgröße wird dabei fortlaufend erfasst und die Differenz mit der Führungsgröße gebildet. Abhängig vom Ergebnis dieses Vergleichs wird eine Angleichung der Führungsgröße durch Einstellen der Stellgröße vorgenommen (vgl. Merz/Jaschek 2003: 20).

Regelstrecke

Die Regelstrecke ist „der Teil der Anlage, in dem die Regelgröße konstant zu halten ist und an dem die Stell- und Störgröße angreifen[…]“ (Samal/Becker: 6).

Regelgröße

Die Regelgröße x ist der Istwert der Warmwassertemperatur, der auf die eingestellte Führungsgröße geregelt werden soll (vgl. Lutz/Wendt 2010: 22). Das Warmwasser kommt beim Kunden zur Nutzung, z. B. zum Duschen, an.

Führungsgröße

Die Führungsgröße legt den Sollwert für die Regelgröße fest

(vgl. Wellenreuther/Zastrow 1998: 455).

Digitale Regelung

Eine Regelung nimmt eine gezielte Beeinflussung des Istwertes der Stellgröße auf einen eingestellten Sollwert vor (vgl. Mann/ Schiffelgen/ Froriep 2005: 21).

Bei einem digitalen Regler, wie es der DeltaSol Fresh® ist, wird die Messgröße nur zu bestimmten Zeiten erfasst, weswegen die Information bis zum neuen Messpunkt beibehalten wird (vgl. Samal/ Becker 1996: 543).

Die Zeit zwischen zwei Messdatenerfassungen nennt man Abtastzeit (vgl. Lutz/Wendt 2010: 477). Beim DeltaSol Fresh® wird alle 400 ms abgefragt, was bedeutet, dass er alle 400 ms die Stellgröße anpassen kann.

Stellgröße

Die Stellgröße ist die über das Relais ausgegeben Drehzahl.

Stellgeschwindigkeit

Die Stellgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der sich die Stellgröße des Reglers verändert (vgl. Samal/ Becker 1996: 145).

Regeldifferenz

Die Regeldifferenz e, auch Regelabweichung genannt, ist die Differenz der Führungsgröße zur Regelgröße. Die dazugehörige Gleichung lautet:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten^[1]

Stelleinrichtung

Die Stelleinrichtung besteht aus dem Stellantrieb und dem Stellglied. Die Stelleinrichtung ist die Pumpe, der Stellantrieb der Pumpenmotor und das Stellglied das Flügelrad.

Störgröße

Die Störgröße z ist eine von außen einwirkende, nicht vorhersehbare Störung. (vgl. Wellenreuther/Zastrow 1998: 455). Sie kann vor oder hinter der Regelstecke wirken, kann aber nur vor der Strecke ausgeregelt werden.

Regelgüte

Die Regelgüte eines Regelkreis stellt das Maß der Abweichung zwischen Regelgröße x(t) und Führungsgröße w(t) dar (vgl. Tröster 2005: 268).

2 Frischwasserstation

2.1 Funktionsweise

In Abb. 2 ist eine Frischwasserstation skizziert. Die Primär- und Sekundärseite sind durch den Wärmeübertrager (WÜ) voneinander getrennt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2: Frischwasserstation (vgl. RESOL Montageanleitung Frischwasserstation)

Die Primärseite führt das heiße Wasser, welches das Nutzwasser auf der Sekundärseite erwärmt. Die Primärseite bekommt ihr heißes Wasser von einer externen Komponente, im Bild ist es ein Speicher, es kann aber auch ein Kessel oder ähnliches sein.

Die wichtigsten Komponenten der Frischwasserstation sind der Wärmeübertrager, der im aktuellen Testfall ein Plattenwärmeübertrager mit 30 Platten ist. In Abb. 3 ist erkennbar, dass der Plattenwärmeübertrager vier Anschlüsse besitzt, je zwei für die Primär- und zwei für die Sekundärseite. Beide Fluide, das heiße Wasser der externen Komponente sowie das kalte Nutzwasser, strömen getrennt durch die Platten des Wärmeübertragers. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Wärme immer vom höheren zum niedrigeren Temperaturniveau fließt (vgl. Polifke/ Kopitz 2005: 143). Bei der Frischwasserstation bedeutet das, dass durch die Platten die Wärme von der Primärseite an die Sekundärseite abgegeben wird. Das kalte Nutzwasser kommt idealerweise mit der Solltemperatur aus dem Wärmeübertrager und fließt zur Abnahmestation.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3: Skizze eines Plattenwärmetauschers (vgl. Poel-Shop)

In der Frischwassertechnik wird der Wärmeübertrager im Gegenstromverfahren betrieben, was in Abb. 3 dargestellt ist. Es gibt noch das Gleichstromverfahren und das Kreuzstromverfahren, auf die hier aber nicht weiter eingegangen wird, da diese Verfahren nicht genug Wärme übertragen und deswegen für die Frischwassertechnik nicht in Frage kommen.

Wärmeübertrager gibt es mit verschiedener Plattenanzahl. Die Anzahl der Platten muss zur Auslegung der Anlage passen, damit ein bestmögliches Ergebnis erreicht werden kann.

Die nächste Komponente ist die Pumpe P1. Der Regler gibt die Stellgröße für die Pumpe aus, die damit den Volumenstrom des Speicherwassers dosiert.

Die dritte Komponente ist der Regler. Er misst im Abtastintervall die Regelgröße am T-WW-Sensor und bildet die Regeldifferenz. Auf Grundlage der Regeldifferenz berechnet er mit seinem PID-Regelalgorithmus die Stellgröße, die an die Pumpe weitergegeben wird. Mit dem VFD-Sensor werden der Durchfluss und die Kaltwassertemperatur T-KW gemessen.

Nur wenn der VFD-Sensor einen Durchfluss durch Duschen, Händewaschen etc. detektiert, wird die Pumpe P1 eingeschaltet und transportiert von der externen Komponente heißes Wasser zum Wärmeübertrager. Sobald kein Durchfluss mehr gemessen wird, schaltet der Regler die Pumpe ab.

Die Sensoren T-Sp_VL und T-KW sind optional für Messzwecke und haben auf die Frischwasserregelung keinen Einfluss.

2.2 Testaufbau und Vorbereitung

In Abb. 4 ist die DeltaSol Fresh® Frischwasserstation, für die die PID-Parameter der Regelung ermittelt wurden, zu sehen. Daneben in Abb. 5 ist der dazugehörige Frischwasserregler DeltaSol Fresh® mit seinem PID-Konfigurationsmenü abgebildet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4: Frischwasserstation

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 5: Regler DeltaSol Fresh®

Die Sekundärseite der Station besteht aus der Rohrleitung für das kalte Nutzwasser (1), das in den Wärmeübertrager (2) fließt und dort erwärmt wird. Das erwärmte Nutzwasser fließt durch die Rohrleitung (3) zu den Abnahmestellen. In der Warmwasserrohrleitung (3) ist ein digitaler VFD Grundfos Direct SensorTM (5) eingebaut, der Temperatur und Durchfluss misst und an den Regler zur Verarbeitung weitergibt. Der VFD-Sensor sitzt direkt hinter dem Wärmeübertrager, damit so wenige Störungen wie möglich die Temperatur beeinflussen.

An der Primärseite ist ein Speicher (nicht im Bild) mit heißem Wasser angeschlossen, von diesem fließt das Speicherwasser durch die Vorlaufleitung (6) in den Wärmeübertrager und durch die Rücklaufleitung (4) zurück zum Speicher zur erneuten Erhitzung. In die Rücklaufleitung ist die WILO Yonos Para 15/7.0 Pumpe (7) eingebaut.

[...]

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^[1] Wellenreuther/ Zastrow: 454